基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟嫻

摘 ?要： 針對(duì)傳統(tǒng)偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)色彩靈敏度較低的問題，提出一種基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由初始化模塊、偽彩色圖像處理模塊、偽彩色圖像存儲(chǔ)模塊、偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)模塊、偽彩色圖像顯示模塊構(gòu)成;系統(tǒng)軟件配置為偽彩色圖像均衡化處理軟件，通過硬件與軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了偽彩色圖像的均衡化增強(qiáng)。為了驗(yàn)證基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的色彩靈敏度較高，將該系統(tǒng)與基于運(yùn)算圖像矩陣的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于自適應(yīng)閾值計(jì)算模型的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于最大類間方差的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于單精度浮點(diǎn)指令的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提系統(tǒng)的色彩靈敏度最高，更適用于偽彩色圖像的均衡化增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 暗原色先驗(yàn); 偽彩色圖像; 均衡化增強(qiáng)系統(tǒng); SDRM配置器; 數(shù)字圖像傳感器; FPGA編程; 圖像處理算法

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP317.4 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）07?0074?04

Design of pseudo?color image equalization enhancement system

based on dark channel prior

MENG Xian

（Zhengzhou University of Science and Technology， Zhengzhou 450064， China）

Abstract： In view of the low color sensitivity of traditional pseudo?color image equalization enhancement system， a pseudo?color image equalization enhancement system based on dark channel prior is proposed. The system hardware consists of the initialization module， the pseudo?color image processing module， the pseudo?color image storage module， the pseudo?color image equalization enhancement module and the pseudo?color image display module， while the system software is pseudo?color image equalization processing software. The equalization enhancement of pseudo?color images is realized by the combination of hardware and software. In order to verify the high color sensitivity of the pseudo?color image equalization enhancement system based on dark channel prior， comparison experiments are performed between the system and the pseudo?color image equalization enhancement system based on operation image matrix， the pseudo?color image equalization enhancement system based on adaptive threshold computing model， the pseudo?color image equalization enhancement system based on maximum between?class variance and the pseudo?color image equalization enhancement system based on single precision floating?point instruction. The experimental results show that the proposed system has the highest color sensitivity and is more suitable for pseudo?color image equalization enhancement.

Keywords： dark channel prior; pseudo?color image; equalization enhancement system; SDRM configurator; digital image sensor; FPGA programming; image processing algorithm

0 ?引 ?言

圖像增強(qiáng)能夠?qū)D像中蘊(yùn)含的有用信息進(jìn)行突出表達(dá)，是圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。通常對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)制、接收、傳輸、獲取等都可能導(dǎo)致圖像質(zhì)量產(chǎn)生損失，這種情況下就必須對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

圖像增強(qiáng)處理中比較典型的方法是灰度級(jí)圖像增強(qiáng)，并且該方法在多個(gè)領(lǐng)域中均有所應(yīng)用，包括可視化圖像、衛(wèi)星影像、軍事、遙感、偵察等[1]。這些領(lǐng)域的圖像數(shù)據(jù)普遍存在著分辨率較低的問題，而分辨率是決定圖像質(zhì)量高低的重要因素。并且在這些領(lǐng)域的圖像中，通常存在較多噪聲，在圖像拍攝的過程中容易受到大氣反射、陰天、雨霧的影響，遠(yuǎn)距離圖像傳輸時(shí)容易造成圖像的細(xì)節(jié)丟失，這些因素都會(huì)影響圖像質(zhì)量。

因此，對(duì)于這些領(lǐng)域，減少圖像噪聲并對(duì)圖像中的有用信息進(jìn)行增強(qiáng)是很有必要的[2]。然而在這些領(lǐng)域中，應(yīng)用灰度級(jí)圖像增強(qiáng)只能對(duì)圖像的細(xì)節(jié)信息進(jìn)行增強(qiáng)，而無法處理分辨率較高的灰度圖像，因此，必須結(jié)合偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理。

偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)技術(shù)主要是通過對(duì)灰度圖像進(jìn)行非線性變換或者線性變換，從而將其置換為彩色圖像。由于人眼天生對(duì)彩色信息更為敏感，因此能夠?qū)D像細(xì)節(jié)進(jìn)行突出，有利于目標(biāo)的解譯與識(shí)別[3]。

偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)技術(shù)之所以無法在遙感圖像、醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，就是因?yàn)閭鹘y(tǒng)偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)技術(shù)色彩靈敏度不足，并且分辨率較低，因此，提出一種基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)，對(duì)分辨率進(jìn)行提升[4]。

1 ?設(shè)計(jì)基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)

1.1 ?設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件

基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的硬件模塊包括初始化模塊、偽彩色圖像處理模塊、偽彩色圖像存儲(chǔ)模塊、偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)模塊、偽彩色圖像顯示模塊，構(gòu)成這些模塊的硬件包括數(shù)字圖像傳感器、FPGA芯片、存儲(chǔ)芯片、串口通信USB、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、SDRM配置器、圖像處理器、SDRAM控制器[5]。基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的硬件模塊圖如圖1所示[6]。

圖1中，初始化模塊主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與SDRM配置器組成，主要作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，通過SDRM配置器對(duì)FPGA進(jìn)行配置，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)數(shù)字圖像傳感器進(jìn)行初始化操作[7]。

圖像處理模塊主要通過圖像處理器對(duì)數(shù)字圖像傳感器收集的偽彩色圖像信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，對(duì)其實(shí)施打包處理，以便后期進(jìn)行圖像處理[8]。

圖像存儲(chǔ)模塊主要由SDRAM控制器和存儲(chǔ)芯片組成，其中，存儲(chǔ)芯片的具體型號(hào)為SDRAM?V1620HY57/S16400IS42，能夠?qū)κ占脑紓尾噬珗D像信息進(jìn)行存儲(chǔ)，保障原始信息的完整性[8]。而SDRAM控制器主要通過FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，以對(duì)接收到的原始圖像信息初步保存，并通過圖像信息數(shù)據(jù)接口進(jìn)行儲(chǔ)存數(shù)據(jù)緩沖[9]。

圖像增強(qiáng)模塊主要由FPGA芯片與數(shù)字圖像傳感器構(gòu)成，F(xiàn)PGA芯片的具體型號(hào)為Q208C8EP2ⅡCyclone[10]。該芯片主要利用SOPC Build進(jìn)行圖像采集、編輯、修復(fù)以及進(jìn)行灰度增強(qiáng)，而數(shù)字圖像傳感器的具體型號(hào)為Ov7620，利用FPGA編程即可實(shí)現(xiàn)Ov7620的圖像信息采集與處理[11]。

圖像顯示模塊則通過串口通信USB將均衡化增強(qiáng)的偽彩色圖像顯示在系統(tǒng)終端[12]。

1.2 ?設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件

基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的軟件配置為偽彩色圖像均衡化處理軟件[13]?；诎翟闰?yàn)對(duì)偽彩色圖像均衡化處理軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)[14]。首先，利用暗原色先驗(yàn)對(duì)偽彩色圖像進(jìn)行去霧干擾，對(duì)于任意一個(gè)偽彩色圖像[J]，其暗原色可以用下式來表示：

[Jdark（x）=min（min（JC（y）））C∈r，g，by∈Ω（x）] （1）

式中：[JC]表示偽彩色圖像[J]的顏色通道;[x]表示偽彩色圖像像素點(diǎn);[Ω（x）]表示像素點(diǎn)的方形鄰域;[Jdark]表示偽彩色圖像[J]的暗原色;[y]表示暗原色強(qiáng)度;[r，g，b]表示顏色通道取值范圍。

利用偽彩色圖像[J]的暗原色可以建立圖像去霧模型，從而估算霧的濃度，并對(duì)偽彩色圖像進(jìn)行復(fù)原，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像去霧干擾[15]。

接著利用軟件自帶的圖像處理算法對(duì)偽彩色圖像進(jìn)行均衡化處理，在軟件中選擇適當(dāng)?shù)娜ピ敕椒ㄅc濾波方法，并選擇相應(yīng)的處理模塊加載圖像處理算法，對(duì)偽彩色圖像進(jìn)行均衡化圖像增強(qiáng)處理，處理結(jié)果如圖2所示。

2 ?實(shí)驗(yàn)研究

為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，基于Matlab Web平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 ?實(shí)驗(yàn)過程

基于Matlab Web平臺(tái)對(duì)基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試，系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試圖如圖3所示。

搭建一個(gè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)待處理的偽彩色圖像進(jìn)行預(yù)處理。主要針對(duì)偽彩色圖像中的二進(jìn)制比特流實(shí)施預(yù)處理：

1） 對(duì)偽彩色圖像進(jìn)行大小轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為128×128的大小，接著對(duì)待處理的偽彩色圖像進(jìn)行二進(jìn)制比特流轉(zhuǎn)換，便于系統(tǒng)對(duì)偽彩色圖像進(jìn)行處理。利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將預(yù)處理后的偽彩色圖像存入系統(tǒng)中，同時(shí)，在系統(tǒng)中植入Verilog監(jiān)測(cè)程序，便于對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行檢測(cè)。

2） 在平臺(tái)中安裝邏輯監(jiān)控分析儀對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，并通過分析儀上顯示的信號(hào)波形圖判斷系統(tǒng)性能。

3） 將分析儀中的信號(hào)波形圖轉(zhuǎn)換為報(bào)告文件，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行報(bào)告。

為了保證本次實(shí)驗(yàn)的有效性，使用基于運(yùn)算圖像矩陣的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于自適應(yīng)閾值計(jì)算模型的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于最大類間方差的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于單精度浮點(diǎn)指令的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行比較，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較各個(gè)偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的色彩靈敏度。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用基于運(yùn)算圖像矩陣的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于自適應(yīng)閾值計(jì)算模型的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于最大類間方差的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于單精度浮點(diǎn)指令的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行偽彩色圖像的均衡化增強(qiáng)，其色彩靈敏度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的色彩靈敏度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：基于運(yùn)算圖像矩陣的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的平均色彩靈敏度為68.54%;基于自適應(yīng)閾值計(jì)算模型的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的平均色彩靈敏度為65.46%;基于最大類間方差的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的平均色彩靈敏度為75.26%;基于單精度浮點(diǎn)指令的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的平均色彩靈敏度為78.01%;基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的平均色彩靈敏度為97.77%。

綜上可知，基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)的色彩靈敏度高于基于運(yùn)算圖像矩陣的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于自適應(yīng)閾值計(jì)算模型的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于最大類間方差的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)、基于單精度浮點(diǎn)指令的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)等傳統(tǒng)偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)。

3 ?結(jié) ?語

基于暗原色先驗(yàn)的偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)通過硬件模塊與軟件模塊的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了偽彩色圖像的均衡化增強(qiáng)，并且相較于傳統(tǒng)偽彩色圖像均衡化增強(qiáng)系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)了色彩靈敏度的提升，對(duì)于可視化圖像、衛(wèi)星影像、軍事、遙感、偵察等領(lǐng)域圖像分辨率的提升具有重要意義。

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